Gospodarka mocą i energią bierną

Gospodarka mocą i energią bierną

2 / 29

Wytwarzanie i przepływ mocy

Wytwarzanie i przepływ mocy

Schemat przepływu mocy od źródła do odbiornika

Źródłami mocy czynnej są generatory, natomiast źródłami mocy biernej
mogą być generatory, ale także inne elementy SEE jak: kompensatory
synchroniczne, czyli maszyny synchroniczne o przewymiarowanym w
stosunku do generatora obwodzie wzbudzenia, baterie kondensatorów,
układy energoelektroniczne, a także linie WN.

Istnieje więc możliwość dekoncentracji źródeł mocy biernej

.

Bilanse mocy oblicza się optymalizując techniczne i ekonomiczne skutki
przepływu mocy przez sieć elektroenergetyczną.

3 / 29

Bilans mocy czynnej i biernej

Bilans mocy czynnej i biernej

Źródła mocy biernej:

Generatory synchroniczne –

∼ 54%

Pojemności linii -

∼ 25%

Kondensatory -

∼ 20%

Kompensatory –

∼1%

Zużycie mocy biernej:

Odbiorniki –

∼ 53%

Straty w SE -

∼ 47%

w tym: transformatory –

∼ 30%

Linie -

∼17%

Źródła mocy czynnej:

Generatory synchroniczne -

∼100%

Zużycie mocy czynnej

:

Odbiorniki –

∼ 89%

Straty w SE -

∼ 11%

4 / 29

Skutki przepływu mocy przez SE

Skutki przepływu mocy przez SE

¾

Obciążenie cieplne

Przy danej wartości prądu dopuszczalnego dla urządzeń ze względu na
nagrzewanie, stosunek przesyłanej mocy czynnej do współczynnika
mocy musi być wielkością stałą. Jeżeli więc maleje wartość
współczynnika mocy to w takim samym stosunku musi zmaleć wartość
przesyłanej mocy czynnej.

=

=

ϕ

dd

P

I

const

3Ucos

Moc czynna i bierna wywołują podobne skutki na drodze przepływu, tj.
obciążenie cieplne, spadki napięć, straty mocy. Można je zobrazować
posługując się tangensem kąta impedancji tg

ϕ=Q/P lub cosϕ zwanym

współczynnikiem mocy.

5 / 29

Skutki przepływu mocy przez SE

Skutki przepływu mocy przez SE

¾

Spadki napięć

δ =

ϕ +

ϕ =

ϕ +

ϕ

X

U

IR cos

IX sin

IR(cos

sin )

R

Spadek napięcia zależy zarówno od mocy czynnej jak i biernej;
decydujące znaczenie ma składowa bierna (I

⋅sinφ), ponieważ w

sieciach SN i WN stosunek X/R jest z reguły znacznie większy od
jedności. Oznacza to, że przy rosnącej mocy biernej (malejącym
cos

ϕ) rośnie spadek napięcia.

¾

Straty mocy

⎛

⎞

Δ =

=

=

=

+

⎜

⎟

⎝

⎠

2

2

2

2

2

2

2

2

S

S

P

Q

P

3I R

3

R

R

R

R

U

U

U

3U

Strata mocy czynnej zależy zarówno od przepływu mocy czynnej jak
i biernej.

6 / 29

Sprawność SEE

Sprawność SEE

Sprawność systemu zależy od współczynnika mocy.

1 – transformatora
2 – generatora
3 - linii przesyłowej
4 – całkowita SEE

Ze względów technicznych i
gospodarczych nie opłaca się
przesyłać dużych wartości mocy
biernej przez sieć
elektroenergetyczną. Wymaga to
instalowania źródeł tej mocy w pobliżu
centrów jej zapotrzebowania.

Działanie takie nazywa się
kompensacją mocy biernej.

7 / 29

Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy

Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy

Zależność względnej mocy biernej pobieranej przez silnik asynchroniczny
niskiego napięcia, czterobiegunowy, od obciążenia:
1 - silnik o mocy znamionowej ~ 0,8 kW, 2 - silnik o mocy znamionowej ~ 4 kW,
3 - silnik o mocy znamionowej ~ 20 kW,
4 - silnik o mocy znamionowej ~ 100 kW.

8 / 29

Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy

Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy

Zależność współczynnika mocy cos

ϕ silnika asynchronicznego od obciążenia

dla następujących znamionowych wartości cos

ϕ:

krzywa 1 - 0,95; 2 - 0,90; 3 - 0,85;

4 - 0,80; 5 - 0,75; 6 - 0,70.

9 / 29

Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy

Naturalne sposoby poprawy współczynnika mocy

Zależność współczynnika mocy silnika asynchronicznego od obciążenia przy

połączeniu uzwojeń w trójkąt i w gwiazdę.

10 / 29

Rodzaje kompensacji mocy biernej

Rodzaje kompensacji mocy biernej

W zależności od miejsca zainstalowania źródła mocy biernej

rozróżnia się

następujące rodzaje kompensacji

:

¾

Centralna – w stacji głównej odbiorcy

¾

Grupowa – w rozdzielnicach oddziałowych

¾

Indywidualna – na zaciskach odbiorników

Kompensacja centralna

z

k

s

Q

Q

Q

−

=

gdzie:
Q

z

– moc zapotrzebowana

Q

k

– moc urządzenia kompensacyjnego

Moc dosyłana z sieci Q

s

11 / 29

Kompensacja centralna

Kompensacja centralna

Moc urządzenia kompensacyjnego Q

k

wyznacza się w zależności

od wymaganego cos

ϕ na szynach stacji głównej.

Przed kompensacją:

Po kompensacji:

ϕ

z

o

z

Q

tg

=

P

ϕ

z

k

z

Q - Q

tg =

P

(

)

ϕ

ϕ

ϕ

k

z

z

z

o

Q = Q - P tg = P tg

- tg

Stąd:

12 / 29

Kompensacja centralna

Kompensacja centralna

Przy znanej wartości mocy Q

z,

określenie wymaganej mocy Q

k

lub

cos

ϕ jest zagadnieniem gospodarczym i polega na minimalizacji

całkowitych kosztów rocznych wytworzenia i przesłania tej mocy z
sieci oraz kosztów wytworzenia tej mocy w urządzeniach
kompensacyjnych.
W praktyce moc bierna pobierana z rozdzielnicy zmienia się przy
załączaniu i wyłączaniu odbiorników. Moce poszczególnych baterii
dobiera się wówczas do obciążenia maksymalnego, a dodatkowo
stosuje się

regulator cos

ϕ sterujący załączaniem i wyłączaniem

poszczególnych stopni baterii wraz ze zmianą pobieranej mocy
biernej.

13 / 29

Regulacja mocy biernej

Regulacja mocy biernej

Regulacja mocy biernej baterii kondensatorów według kryterium

stałego cos

ϕ, przy 6 stopniach baterii

14 / 29

Kompensacja mocy biernej

Kompensacja mocy biernej

Moc kondensatorów do

kompensacji grupowej

wyznacza się w

oparciu o kryterium minimalizacji strat mocy czynnej w sieci
rozdzielczej.

Kompensacja indywidualna

najbardziej ogranicza przepływ mocy

biernej przez sieć. Kondensator i odbiornik stanowią w tym
przypadku praktycznie jedno urządzenie, wspólnie przyłączane do
sieci (np. świetlówki). Stopień wykorzystania kondensatorów przy
kompensacji indywidualnej jest jednak mniejszy niż przy
kompensacji grupowej, którą realizuje się w stacjach oddziałowych.

Regulacja napięcia

Regulacja napięcia

16 / 29

Metody regulacji napięcia

Metody regulacji napięcia

Regulacja napięcia może być dokonywana w sposób bezpośredni
za pomocą

napięcia dodawczego

, poprzez:

¾

zmianę sił elektromotorycznych generatorów

¾

zmianę przekładni transformatorów

lub w sposób pośredni poprzez:

¾

zmianę impedancji sieci

¾

zmianę rozpływu mocy biernych (czynnych).

17 / 29

Regulacja przekładni transformatorów

Regulacja przekładni transformatorów

Regulacja przekładni transformatorów regulacyjnych polega na

zmianie

czynnej liczby zwojów

w jednym z uzwojeń transformatora.

Uzwojenia regulacyjne transformatorów zaopatrzone są w szereg
zaczepów. Zaczep tzw. zerowy odpowiada znamionowej przekładni
transformatora.
Przekładnie znamionowe transformatorów najczęściej nie są równe
stosunkowi napięć znamionowych sieci, jak np.115/6,3 kV, 110/16,5 kV.
Efektem tego jest pewien przyrost napięcia przy nastawieniu przekładni
transformatora na zaczep zerowy:

s

nT

n

U

1 100%

⎛

⎞

ϑ

δ

=

− ⋅

⎜

⎟

ϑ

⎝

⎠

gdzie:

ϑ

n

- przekładnia znamionowa transformatora

ϑ

s

- iloraz napięć znamionowych sieci.

18 / 29

Regulacja przekładni transformatorów

Regulacja przekładni transformatorów

Ze względu na sposób zmiany zaczepów wyróżnia się:
¾

Regulację bez obciążenia

, wykonywaną po odłączeniu zasilania;

zakresy zmian

±5 %, ±2,5 %, stosowana w transformatorach SN/nn

¾

Regulację pod obciążeniem

w granicach

±20 % ze stopniem

regulacji 0,5 %

Uzwojenia regulacyjne ze względu na ich wysoki koszt stosuje się tylko
po jednej stronie transformatora. Wybór strony regulacji zależy od
wysokości napięcia pracy oraz od prądów obciążenia – zwykle strona
WN.

W transformatorze obniżającym zwiększenie liczby zwojów czynnych
uzwojenia górnego napięcia powoduje zmniejszenie napięcia wtórnego,
przy stałym napięciu na uzwojeniu pierwotnym.

Zmienia się długość wektora napięcia

–

jest to regulacja wzdłużna

.

19 / 29

Regulacja przekładni transformatorów

Regulacja przekładni transformatorów

ƒ

Przełącznik zaczepów pod obciążeniem musi mieć specjalną
konstrukcję, zmniejszającą prąd w zwojach zwartych podczas
przełączania. Stosuje się dławik dzielony lub rezystory, tworzące
układ równoległy dla prądu roboczego i szeregowy dla prądu w
zwojach zwartych.

ƒ

Liczbę działań przełącznika ogranicza się do 60/dobę, aby
przeglądy przełącznika nie były częstsze niż przeglądy
transformatora.

ƒ

Przełączniki mogą być sterowane ręcznie (zdalnie z nastawni stacji)
lub automatycznie przez regulator napięcia.

ƒ

Koszt przełącznika pod obciążeniem jest znaczny i tym większy im
mniejsza jest moc znamionowa transformatora.

20 / 29

Zmiana impedancji sieci

Zmiana impedancji sieci

Zmiany impedancji dokonuje się

poprzez:

¾

Wyłączanie/wyłączanie jednej
z dwu linii równoległych lub/i
jednego z dwu
transformatorów równoległych

¾

Włączanie baterii

kondensatorów szeregowych
w przewody fazowe linii

Regulacja napięć przez zmianę
impedancji sieci

polega na

zmianie spadków napięć

.

21 / 29

Zmiana rozpływu mocy biernych

Zmiana rozpływu mocy biernych

Zmiany mocy biernej można dokonywać za pomocą:

¾

Generatorów synchronicznych

¾

Kompensatorów synchronicznych – sposób obecnie praktycznie

nie stosowany

¾

Dławików równoległych – sieci przesyłowe

¾

Kondensatorów równoległych (poprzecznych)

– sieci rozdzielcze

,

kompensacja mocy biernej

¾

Urządzeń energoelektronicznych, jak np. statyczny kompensator

synchroniczny SVC (Static Var Compensator) lub STATCOM

–

sieci przesyłowe i rozdzielcze

Regulacja napięć przez zmianę rozpływu mocy biernych polega na
zmianie spadków napięć na skutek zmiany wartości mocy biernej
przesyłanej przez elementy sieci.

22 / 29

Statyczne kompensatory mocy biernej

Statyczne kompensatory mocy biernej

Kompensatory statyczne

(SVC – Static Var Compensator) stosuje się w

przypadku szybkich zmian mocy biernej. Są to układy zawierające dławiki lub/i
kondensatory sterowane tyrystorowo i włączane do węzła SE. Można je więc
traktować jako regulowaną równoległą susceptancję.

W praktyce występują różne rozwiązania kompensatorów. Do najczęściej
stosowanych układów należą kompensatory typu

TCR/FC

(Thyristor Controlled

Reactor/Fixed Capacitor) - ze sterowanym fazowo stopniem dławikowym i
stałą baterią kondensatorów oraz

TSC

(Thyristor Switched Capacitor) – ze

załączanymi skokowo stopniami baterii kondensatorów.

SVC realizują następujące funkcje:

¾

Kompensacja mocy biernej

¾

Stabilizacja napięcia w węzłach sieci

¾

Kompensacja składowej przeciwnej prądów i napięć, czyli
symetryzacja

23 / 29

Kompensator typu FC/TCR

Kompensator typu FC/TCR

W elementach TCR prąd
dławika jest regulowany
przez zmianę

kąta

załączania tyrystorów.
Pierwsza

harmoniczna

prądu dławika zależy od
kąta przewodzenia

σ:

σ −

σ

=

= σ

π

1TCR

TCR

sin

I

U B( )U

X

X

TCR

jest reaktancją dławika,

α jest kątem wyzwalania tyrystorów, π/2 ≤ α ≤ π

σ = π − α

2(

)

24 / 29

Kompensator typu FC/TCR

Kompensator typu FC/TCR

Wypadkowy prąd kompensatora i

k

(t) jest sumą prądu kondensatora i dławika:

=

+

k

FC

TCR

i (t) i (t) i

(t)

Jeśli prąd w gałęzi dławikowej równy jest zeru (

α = π, σ = 0), wówczas

kompensator oddaje do sieci moc bierną, a jego prąd ma charakter
pojemnościowy. Przy pełnym wysterowaniu tyrystorów (

α = π/2, σ = π)

kompensator odbiera moc bierną, a prąd kompensatora ma charakter indukcyjny.
Regulacja prądu kompensatora w granicach od I

Cmax

do I

lmax

ma charakter ciągły.

u(t)

-150

-100

-50

0

50

100

150

0

5

10

15

20

25

30

35

40

i

C

(t)

i

L

(t)

u(t)

-150

-100

-50

0

50

100

150

0

5

10

15

20

25

30

35

40

i

C

(t)

i

L

(t)

25 / 29

Kompensator typu FC/TCR

Kompensator typu FC/TCR

Charakterystyka napięciowo-prądowa kompensatora

26 / 29

Kompensator typu TSC

Kompensator typu TSC

Kompensator typu TSC stanowi dla sieci obciążenie o charakterze
pojemnościowym, którego wartość zmienia się skokowo, poprzez
zmianę liczby załączonych stopni baterii kondensatorów

.

27 / 29

Układy STATCOM

Układy STATCOM

Zasadnicza częścią układu STATCOM jest inwertor napięcia,

połączony z siecią zasilającą przez reaktancję indukcyjną, którą zwykle

stanowi indukcyjność transformatora pośredniczącego. Od wzajemnej

relacji pomiędzy napięciem sieci i inwertora zależy sposób pracy

kompensatora.

I

U

i

U

s

jX I

t

pra ca
indukcyjna

jX I

U

I

s

t

i

U

pra ca
pojemnoś ciowa

s

U

U

i

I

Jeśli U

i

< U

s

kompensator stanowi

obciążenie o charakterze indukcyjnym, a
więc pobiera moc bierną. Prąd opóźnia
się o 90

° względem napięcia, a strata

napięcia na reaktancji transformatora jest
w fazie z napięciem inwertora. W sytuacji
odwrotnej, jeśli U

i

> U

s

układ generuje do

sieci moc bierną, jest zatem obciążeniem
o charakterze pojemnościowym. Prąd
wyprzedza napięcie o 90

°, a strata

napięcia jest w przeciwfazie z napięciem
inwertora

.

28 / 29

Układy STATCOM

Układy STATCOM

Kompensatory typu
STATCOM wymagają
zastosowania

tyrystorów

całkowicie sterowalnych

oraz źródła napięcia
stałego, zwykle
kondensatora, który w
czasie pracy układu jest
doładowywany i
rozładowywany, stanowiąc
magazyn energii.

29 / 29

Układy SVC i STATCOM

Układy SVC i STATCOM

NAPIĘCIA MIĘDZYPRZEWODOWE

90,0

95,0

100,0

105,0

110,0

115,0

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

t [s ]

U [%]

bez S VC
z S VC